Hot Chips 2024 | Intel的光計算互連（Optical Compute Interconnect，OCI）

逍遙設(shè)計自動化

引言
在計算和數(shù)據(jù)通信技術(shù)不斷發(fā)展的今天，對更快、更高效、更高帶寬解決方案的需求持續(xù)增長。本文旨在幫助讀者了解光計算互連（Optical Compute Interconnect，OCI）。OCI是下一代計算架構(gòu)和數(shù)據(jù)中心的極具潛力的解決方案。我們將探討OCI背后的原理、相比傳統(tǒng)互連技術(shù)的優(yōu)勢，以及該領(lǐng)域的最新發(fā)展。

/ W, O" p2 G$ h' A- ~5 b8 K光通信的演進(jìn)

圖1：展示了光通信從電信時代到人工智能時代的演進(jìn)，突出了向更高密度和更低功耗的轉(zhuǎn)變。

. E/ g2 S4 M8 b* L) C, N; E4 Q光通信技術(shù)自誕生以來已經(jīng)走過了漫長的道路。最初為遠(yuǎn)距離電信而開發(fā)，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入數(shù)據(jù)中心，最近更是應(yīng)用到計算架構(gòu)中。這種演進(jìn)可以分為三個不同的時代：

電信時代：特點是長距離通信，跨越數(shù)百公里，依賴低損耗光纖和分立光學(xué)組件。為了在長距離上保持信號完整性，需要大量的數(shù)字信號處理（DSP）。

數(shù)據(jù)通信時代：隨著光技術(shù)進(jìn)入數(shù)據(jù)中心，焦點轉(zhuǎn)向短距離（小于2公里）的低功耗解決方案。這個時代見證了光電子技術(shù)的集成，特別是硅基光電子，以及DSP功能的減少。

人工智能時代：當(dāng)前時代由機(jī)架級距離（小于100米）的高密度、低功耗解決方案需求驅(qū)動。具有更大規(guī)模的光電子集成和先進(jìn)的封裝技術(shù)。
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光電共封裝和光計算互連

1 y- f+ i5 n8 Z4 R" D圖2：比較了以太網(wǎng)CPO和光計算互連（OCI）的使用案例，突出了不同的要求和應(yīng)用。

隨著我們朝著更集成的光學(xué)解決方案發(fā)展，兩種主要方法已經(jīng)出現(xiàn)：

CPO：主要用于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，CPO旨在降低功耗和成本，同時保持與現(xiàn)有以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的兼容性。

光計算互連（OCI）：為計算架構(gòu)設(shè)計，特別是在人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用中，OCI專注于用光學(xué)解決方案替代銅互連。提供更高的帶寬密度、更長的距離以支持更大的集群，以及更低的功耗。
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CPO和OCI的主要區(qū)別在于要求和使用場景。CPO需要保持與現(xiàn)有以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的互操作性，而OCI可以針對特定的計算應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，可能提供更大的性能優(yōu)勢。
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OCI：應(yīng)對現(xiàn)代計算挑戰(zhàn)
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4 b, W# h/ S/ ]( ~! p2 Q' |圖3：概述了OCI的關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI）和擴(kuò)展方向，包括功耗、帶寬密度和延遲目標(biāo)。
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! i7 u3 B8 c) |; O9 f$ `: v; b" QOCI旨在解決現(xiàn)代計算環(huán)境中的幾個關(guān)鍵挑戰(zhàn)：

功率效率：目標(biāo)是實現(xiàn)小于3.5 pJ/bit，比當(dāng)前解決方案降低80%。

延遲：OCI的目標(biāo)是實現(xiàn)小于10ns的延遲，加上傳輸時間。

帶寬密度：目標(biāo)是超過1.5 Tbps/mm的封裝邊緣。

總帶寬：OCI的目標(biāo)是每根光纖2 Tbps。
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- Z. U$ w  N2 ?0 |& {. i) X為了實現(xiàn)這些雄心勃勃的目標(biāo)，OCI利用了幾項關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計原則：

集成光電子技術(shù)：更多的光電子功能集成到光電子集成芯片中，主要使用硅基光電子技術(shù)。

異構(gòu)集成：使用先進(jìn)的封裝技術(shù)將光電子集成芯片與最優(yōu)秀的集成線路（IC）結(jié)合，創(chuàng)建光學(xué)引擎。

緊密集成：光學(xué)引擎與主機(jī)（XPU或交換機(jī)）緊密集成，以實現(xiàn)新的系統(tǒng)和應(yīng)用。
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( v" `! j  m: K4 i3 U英特爾的4 Tbps OCI解決方案
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圖4：概述了英特爾的4 Tbps OCI解決方案，展示了光電子集成芯片（PIC）和電子集成線路（EIC）與主機(jī)XPU的集成。

英特爾開發(fā)了4 Tbps OCI解決方案，展示了這項技術(shù)的潛力。該解決方案的主要特點包括：

帶寬：每個方向2 Tbps（8根光纖 x 8個波長 x 32 Gb/s）

兼容性：設(shè)計為與現(xiàn)有計算生態(tài)系統(tǒng)兼容，可連接到計算平臺上的標(biāo)準(zhǔn)I/O端口

直接驅(qū)動：利用來自主機(jī)PCIe5（和UPI）SERDES的未重定時直接驅(qū)動

面向未來：支持下一代未重定時PCIe6（64 Gb/s PAM4）連接和未來的協(xié)同優(yōu)化并行接口設(shè)計
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英特爾OCI解決方案的核心是其硅基光電子集成芯片（PIC）：

2 l: K% e( T$ S! [3 C- r  d0 s  u/ j圖5：顯示了英特爾4 Tb/s硅基光電子集成芯片的布局和關(guān)鍵組件，包括激光器、調(diào)制器和光電探測器。
4 a1 _8 Q' n5 @( B$ s
這個PIC集成了幾項先進(jìn)特性：

支持并行和串行主機(jī)接口

針對功率效率和緊湊尺寸進(jìn)行優(yōu)化

高產(chǎn)量硅基光電子平臺

8根光纖 x 8個波長 x 64 Gbaud（面向未來的設(shè)計）

共享激光器和半導(dǎo)體光放大器（SOA）

高速環(huán)形調(diào)制器和鍺光電探測器（PD）

用于解復(fù)用的微環(huán)濾波器

偏振分集接收器

V形槽無源光纖耦合或可拆卸光纖連接器
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) J% {# v; S( d  A- z英特爾OCI解決方案的一個關(guān)鍵創(chuàng)新是將III-V材料（如InP）與硅基光電子集成：
( Z8 i) @" g" h: w3 g2 ]: |
圖6：說明了將III-V材料與硅基光電子集成的價值，展示了混合激光器結(jié)構(gòu)，并強(qiáng)調(diào)了在可靠性、性能和成本方面的優(yōu)勢。

  |3 x) B9 d: t) {2 j- x1 F; l* k9 v這種集成提供了幾個優(yōu)勢：

提高可靠性：根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，實現(xiàn)0.1 FIT（單位時間內(nèi)的故障率）

增強(qiáng)性能：在1400個8波長陣列中，WDM網(wǎng)格的變化小于±15 GHz

成本效益高的生產(chǎn)：實現(xiàn)晶圓級制造，超過1100萬個激光器在晶圓上內(nèi)置和測試
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) |6 j0 ]- J6 _+ P演示和性能
# d+ B" s/ H* x英特爾成功使用OCI解決方案實現(xiàn)了CPU到CPU的通信：
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. U4 E# N+ b; _, o- `圖7：展示了平臺間BER（誤碼率）測試的設(shè)置，包括眼圖余量測量和傳輸信號的頻譜分析。
5 v( u1 L. H5 w- f
$ t6 N* K! q8 M9 \# I" g9 @演示取得了以下結(jié)果：

成功實現(xiàn)兩個CPU之間32 Gb/s/通道的PRBS31數(shù)據(jù)傳輸

均勻的激光器波長間隔和清晰的眼圖，表明OCI發(fā)射器性能良好

正的眼圖余量和約1e-13的BER，證明OCI接收器和整體鏈路性能良好
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  V* U- I. @2 H; c! Y
! V. L$ V( [' d" R4 o未來擴(kuò)展和發(fā)展

& j: `; y2 z$ r8 E* U圖8：展示了OCI和CPO未來帶寬擴(kuò)展的選項，包括增加波長、提高調(diào)制率和增加光纖數(shù)量。
2 k5 f" q& D8 o! W6 g' j' D% f8 S
隨著OCI技術(shù)的不斷發(fā)展，正在探索幾種未來擴(kuò)展的途徑：

增加波長數(shù)量：16波長系統(tǒng)的開發(fā)正在進(jìn)行中

更高的調(diào)制率：在計算應(yīng)用中，從32G轉(zhuǎn)向64G，最終達(dá)到128G

增加光纖數(shù)量：通過緊湊型連接器設(shè)計實現(xiàn)，允許更高的帶寬和更高的基數(shù)

支持高速以太網(wǎng)CPO：具備224G/通道以太網(wǎng)的高速線性接口能力
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結(jié)論
光計算互連代表了現(xiàn)代計算環(huán)境中高速數(shù)據(jù)通信的重大進(jìn)步。通過利用先進(jìn)的硅基光電子技術(shù)和創(chuàng)新的封裝技術(shù)，OCI在帶寬密度、功率效率和延遲方面提供了顯著的改進(jìn)。

1 T# P! m2 _7 G2 t7 J8 G' D英特爾展示的兩個CPU之間完全功能的4 Tbps OCI鏈路，展示了這項技術(shù)在革新數(shù)據(jù)中心和高性能計算架構(gòu)方面的潛力。隨著OCI繼續(xù)發(fā)展和擴(kuò)展，將在實現(xiàn)下一代人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
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4 y; f9 I; N/ w, [; c& C. ~2 P4 ]1 S參考文獻(xiàn)
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